Почему батарея вздувается и ломает экран — и что такое дендриты

Почему батарея вздувается: это газ

Литий-ионная батарея не идеально стабильна. Пока её заряжают, используют и пока она просто стареет, электролит понемногу реагирует на электродах — это та же побочная химия, из-за которой любая батарея теряет ёмкость (мы подробно разбирали её в гайде об износе батареи). Некоторые из этих реакций выделяют газ. HP объясняет просто: по мере старения литий-полимерных батарей внутри ячейки образуется небольшое количество газа, и в большинстве случаев за всю жизнь батареи его совсем немного.² Microsoft пишет, что сильное расширение батареи из-за чрезмерного старения чаще всего вызвано образованием негорючего углекислого газа (CO₂); Battery University называет в основном углекислый и угарный газ.^4,10

Батареи телефонов и ноутбуков — плоские ячейки в мягкой оболочке (pouch): электроды запечатаны в пакет из фольги, а не в жёсткий металлический корпус. Это экономит место, но газу некуда деться — и пакет раздувается. Немного этого — норма: по оценке Battery University, небольшие pouch-батареи могут «подрасти» на 8–10% за 500 циклов. Производители это учитывают: при изготовлении у ячейки есть временный «газовый мешок», который срезают после первой зарядки, а Microsoft проектирует корпуса Surface с запасом места под нормальное расширение.^4,9,10 Проблемы начинаются, когда вздутие выходит за эти пределы.

Что ускоряет вздутие

• Возраст и циклы. Dell называет среди причин вздутия возраст батареи и число циклов зарядки. Любая батарея за свою жизнь выделяет немного газа; у старой просто было больше времени и циклов.^2,5
• Жара. HP: длительное воздействие повышенной температуры увеличивает нагрузку на литий-полимерные батареи и ускоряет химическое старение. Microsoft: устройства, которые заряжают или используют при высокой температуре, стареют быстрее. Dell прямо называет сильный нагрев одной из причин вздутия.^2,4,5
• Батарея, которая всегда заряжена до конца. HP отдельно выделяет ноутбуки, постоянно подключённые к сети: батарея подолгу стоит на 90–100%, и это может ускорить её износ и химическое старение. В информационном листке HP о вздутии прямо сказано, что вздутие ускоряют длительный высокий уровень заряда и повышенная температура, — именно с этим и борется ограничивающий заряд Battery Health Manager. Microsoft отмечает, что батареи, которые держат на высоком уровне заряда, быстрее теряют ёмкость.^2,3,4
• Зарядка холодной батареи или слишком большим током. Когда литий не успевает встраиваться в графит, объясняет Battery University, «непоглощённая» энергия превращается в газ, тепло и осаждение лития.¹¹
• Качество изготовления. Battery University отмечает, что некоторое вздутие возможно и при правильном использовании, а в большинстве случаев оно связано с браком производства, — одна из причин, почему важно качество батареи для замены.⁹
• Механические повреждения. Правила Dell начинаются с того, что батарею нельзя сдавливать, ронять, прокалывать и сгибать.⁵

Что ломает вздутая батарея

Устройство губит не сам газ, а давление. В телефоне батарея лежит прямо под экраном, в ноутбуке — обычно под тачпадом и клавиатурой. Раздуваясь, она давит на всё, что над ней. Battery University: давление может вскрыть крышку батарейного отсека, а в некоторых случаях сломать дисплей или электронную схему. HP: деформация бывает настолько сильной, что страдают тачпад, клавиатура и экран.^1,9

Типичные признаки: экран приподнимается с одного края или между экраном и рамкой появляется щель; трескается или отходит заднее стекло; телефон качается, если положить его на стол; у ноутбука выпирает дно или он перестал ровно стоять; тачпад перестал нормально нажиматься или вспучилась клавиатура. В MacBook вздутая батарея меняется модулем — см. ремонт MacBook.

У нас в мастерской вздутая батарея часто приходит вместе с разбитым экраном: пока владелец заметил щель, дисплей уже выдавило или он треснул. Если поймать вздутие вовремя, менять придётся одну деталь, а не две: замена аккумулятора — от €50, экрана — от €40.

Опасна ли вздутая батарея?

Честный ответ состоит из двух частей. HP пишет, что вздутая батарея не представляет угрозы безопасности, а Microsoft — что расширение из-за чрезмерного старения не является проблемой безопасности: газ в основном углекислый.^1,4 Но те же компании советуют прекратить пользоваться устройством, а Microsoft добавляет, что обращаться с ним нужно осторожно, чтобы не надавить на ячейку и не проколоть её. Dell предупреждает, что прокалывать, сгибать или сдавливать батарею опасно.^4,5

Настоящая опасность — повреждённая ячейка. Если что-то нарушает сепаратор между электродами, внутреннее короткое замыкание может очень быстро разогреть ячейку: Battery University описывает температуру до 500 °C, при которой ячейка загорается или взрывается, — «выброс с пламенем». Такие отказы редки — по Battery University, у качественной ячейки вероятность отказа меньше одного на 10 миллионов, — но батарея, которая уже вздулась, на которую давит треснувший экран или которую пытаются поддеть отвёрткой, — именно тот случай, когда рисковать не стоит.¹⁴

«Кристаллы» внутри батареи: дендриты и медные перемычки

Вы могли слышать, что батарея «кристаллизуется». Это представление пришло от старых никель-кадмиевых аккумуляторов: их «эффект памяти» действительно вызывали кристаллы, растущие на кадмиевой пластине.¹⁷ У литий-ионных батарей такого эффекта памяти нет¹⁸, но внутри них могут вырасти два вида металлических образований — и они куда важнее любых кристаллов.

Осаждение лития и дендриты

При зарядке ионы лития обычно встраиваются между слоями графитового электрода. Если они приходят быстрее, чем графит успевает их принять, — потому что батарея холодная или ток зарядки слишком большой, — литий оседает на поверхности в виде металла. Это называется осаждением лития (lithium plating), и из него могут вырасти игольчатые дендриты.^11,20 Battery University предупреждает: бытовые литий-ионные батареи нельзя заряжать при температуре ниже 0 °C — при зарядке на морозе на аноде оседает металлический литий, что необратимо ухудшает и характеристики, и безопасность; слишком быстрая зарядка на холоде может привести к росту дендритов, повышенному саморазряду и снижению безопасности.^12,13 Исследователи Sandia National Laboratories отмечают, что осаждение лития снижает ёмкость и может создавать угрозу безопасности из-за возможного образования дендритов.²⁰

Проблема не новая. В первых перезаряжаемых литиевых батареях был чистый металлический литий, и при зарядке от литиевого электрода росли тонкие «усы» лития; дотянувшись до другого электрода, они замыкали батарею. Отказ от чистого металлического лития — шаг, который сделал литий-ионный аккумулятор пригодным для практики, — стал частью работы, отмеченной Нобелевской премией по химии 2019 года.¹⁹

Медные перемычки после глубокого разряда

Второй вид образуется, если батарею оставить полностью разряженной. Устройство выключается раньше, чем ячейка по-настоящему опустеет, — схема защиты отключает её примерно на 2,2–2,9 В, — но если потом оно месяцами лежит в ящике, ячейка продолжает понемногу разряжаться.^15,16 Ниже определённого уровня медная фольга отрицательного электрода может начать растворяться, а при следующей зарядке медь осаждается и может образовать токопроводящие перемычки между электродами. Исследователи Sandia пишут, что медный токосъёмник может растворяться при переразряде и образовывать микрозамыкания при повторной зарядке; исследование Университета Цинхуа показало, что внутренние замыкания после глубокого переразряда вызваны медью, осевшей на электродах.^20,21 Battery University не советует «оживлять» литиевые батареи, которые неделю и дольше пролежали при напряжении ниже 1,5 В на ячейку: внутри могли образоваться медные перемычки, способные вызвать частичное или полное замыкание, а при зарядке такая ячейка может стать нестабильной и сильно нагреться.¹⁶

Ранний признак обеих проблем — батарея, которая необычно быстро садится даже в выключенном устройстве: Battery University отмечает, что медные дендриты приводят к повышенному саморазряду, что может снизить безопасность.¹⁵

Что делать, если батарея вздулась

1. Прекратите пользоваться устройством и отключите зарядку. Так советуют HP и Dell, а Microsoft рекомендует не пользоваться устройством, если батарея заметно расширилась.^1,4,5
2. Не давите, не сгибайте и не прокалывайте её — и не пытайтесь вытащить батарею самостоятельно. Dell: если батарея застряла из-за вздутия, не пытайтесь её освободить — прокалывать, сгибать или сдавливать батарею опасно.⁵
3. Держите устройство подальше от тепла и от всего, что может загореться.⁵
4. Замените батарею. Вздутую батарею не чинят — её меняют на новую.¹ Мы аккуратно снимаем и меняем вздутые батареи в нашей мастерской в Лимассоле. Если вы в другом городе Кипра, позвоните нам, прежде чем отправлять устройство: вздутую батарею не стоит просто так класть в курьерскую посылку.
5. Не выбрасывайте старую батарею в бытовой мусор. Dell указывает, что вздутые батареи нужно вернуть производителю или сдать в специализированный пункт переработки.⁵

Как снизить риск

• Берегите телефоны и ноутбуки от жары — прежде всего не оставляйте их в припаркованной машине и на солнце.⁶
• Не держите ноутбук постоянно на 100%: включите ограничение заряда (где его найти).²
• Не убирайте устройства на хранение полностью разряженными — оставляйте около 50%.⁷
• Не заряжайте батарею на морозе — дайте ей сначала согреться.¹²
• Выбирайте качественную батарею для замены.⁹
• Меняйте изношенную батарею, не дожидаясь вздутия, и следите за признаками, описанными выше.

Услуги и статьи по теме